Comprensione delle pompe a motore in scatola
Naturalmente, sono stati scritti volumi sul motivo per cui le pompe falliscono. Inoltre, non è esagerato affermare che, quando gli incendi della pompa derivano da tali guasti, di solito è coinvolta una tenuta meccanica (Fig. 1).
Le tenute meccaniche spesso si guastano a causa di precedenti sollecitazioni sui cuscinetti. In alcuni casi, i produttori di tenute forniscono prodotti con giochi stretti tra la periferia delle parti rotanti della tenuta e il diametro (foro) delle parti fisse della tenuta. Riteniamo che gli utenti debbano specificare i sigilli per i prodotti a idrocarburi in modo che siano conformi agli standard API (American Petroleum Industry). Riteniamo inoltre che le deviazioni dalle specifiche dell'utente o dalle linee guida applicabili (come API-682) debbano essere portate all'attenzione dell'acquirente.
Esistono, tuttavia, altri modi per evitare guasti alle guarnizioni. Uno di questi sarebbe quello di specificare, ove applicabile, pompe centrifughe a motore in scatola. Chiamate anche pompe “a tenuta ermetica”, non incorporano tenute meccaniche.
Storia delle motopompe in scatola La figura 2 mostra la sezione trasversale di una pompa a motore incapsulato. Lo sviluppo di queste pompe centrifughe è strettamente associato all'espansione della tecnologia di generazione di energia nucleare. All'inizio degli anni '50, considerazioni di sicurezza portarono allo sviluppo di anelli operativi sigillati ermeticamente. Fu allora che il principio di progettazione del motore in scatola... noto dal 1914- trovato applicazione pratica.
Il riconoscimento da parte dell'industria chimica dei vantaggi di queste pompe seguì subito dopo. In effetti, la domanda aggiuntiva ha creato una base economica diffusa per la produzione di motopompe in scatola.
Negli anni '60, le motopompe in scatola si erano evolute fino alla standardizzazione. L'espansione della popolazione e l'innalzamento del tenore di vita sia nei paesi industriali che in quelli in via di sviluppo richiedevano tecnologie innovative per risolvere i problemi impegnativi e progressivamente urgenti della protezione dell'ambiente. Sempre più spesso, le motopompe in scatola sono diventate parte della risposta.
Riconosciamo prontamente che, negli ultimi tre decenni, sono stati compiuti molti progressi nel campo della tenuta meccanica dell'albero. Tuttavia, a partire dalla metà degli anni '70, le considerazioni ambientali, il consolidamento del settore e l'automazione dei processi sono diventati sempre più importanti. È in questo contesto—in una vasta gamma di compiti di movimento fluido—che i tipi più tradizionali di sigillatura forniscono una sicurezza inadeguata o presentano problemi di inquinamento e perdita che non possono più essere tollerati.
In alcuni casi, il costo del supporto delle tenute e dei sistemi di monitoraggio è sproporzionato rispetto al potenziale successo. È giusto segnalare l'esistenza di servizi che semplicemente non possono essere svolti utilizzando pompe centrifughe “aperte” o convenzionalmente sigillate. Il trasporto assolutamente ermetico di fluidi mediante pompe centrifughe è possibile solo dove la coppia applicata al rotore della pompa è generata esternamente. Per soddisfare questo requisito, è necessario un sistema di statore esterno rigido che utilizza elettromagneti o magneti permanenti. In alcuni settori, le pompe sigillate in modo convenzionale possono mettere in pericolo la vita umana e le risorse fisiche. Pertanto, le pompe sigillate tradizionalmente non sono sempre la "migliore tecnologia disponibile". Pertanto, laddove lo stato dell'arte renda realizzabile tale tutela, i mezzi impiegati devono essere allineati ai risultati conseguiti.
Pertanto, tenendo presente i limiti delle pompe "open design" (quelle con baderne o tenute meccaniche dell'albero) che possono contribuire all'inquinamento dell'aria e dell'acqua, dovremmo sforzarci di conoscere a fondo lo stato dell'arte della trasmissione ermetica tecniche per le pompe centrifughe. I fatti possono sorprenderci.
Design e descrizione funzionale In quanto macchine estremamente rispettose dell'ambiente, le pompe "ermetiche" con motore in scatola sono ora ampiamente utilizzate in Europa e in Giappone. Pur facendo breccia negli Stati Uniti, il terreno perduto deve essere recuperato nella nostra ricerca di competitività. Ciò detto, ovunque sia necessario movimentare fluidi pericolosi, tossici, inquinanti, costosi, caustici, potenzialmente esplosivi, ad alta o bassa temperatura, le motopompe in scatola meritano molta attenzione.
Il motore incapsulato combina l'idraulica ben compresa delle pompe centrifughe con l'altrettanto collaudato motore a induzione trifase. La sezione idraulica è collegata direttamente al motore di azionamento. Un manicotto simile a un tubo o "lattina" viene inserito nello spazio a ponte magnetico tra rotore e statore. La "lattina" separa assolutamente ed ermeticamente la camera del rotore dall'ambiente di pompaggio del fluido pressurizzato. In altre parole, la "lattina" è il confine tra il rotore della pompa avvolto dal liquido e la camera dello statore non bagnata (Fig. 2). Il "can" separa così il motore in due aree funzionali; rappresenta l'elemento di tenuta ermetica del gruppo pompa. In sostanza, la coppia necessaria per la rotazione dell'albero viene trasferita attraverso il barattolo, che è costituito da un materiale non magnetico, mediante mezzi elettromagnetici. Questo tipo di azionamento non richiede un'apertura dell'albero attraverso l'alloggiamento contenente il fluido (solitamente pressurizzato); non sono quindi necessarie guarnizioni dinamiche o tenute meccaniche. Le necessarie guarnizioni statiche sono generalmente prive di problemi ma, in casi particolari, possono essere sostituite da connessioni saldate.
Le motopompe in scatola, quindi, sono gruppi pompa completamente ermetici. La sezione della pompa può essere di tipo singolo o multistadio. La girante della pompa (o le giranti sulle pompe multistadio) è montata all'estremità sporgente di un albero pompa-motore condiviso. I parametri prestazionali di queste pompe ora corrispondono alle disposizioni delle loro principali aree di applicazione—industrie chimiche e di raffinazione. Attualmente (2008), il limite massimo di potenza è di circa 600 kW. Per avvicinarsi il più possibile alle caratteristiche dimensionali e prestazionali di un gran numero di pompe centrifughe standard (DIN 24256 o, rispettivamente, ISO 2858 utilizzate nell'industria chimica), molte migliaia di motopompe incapsulate oggi in servizio sono disponibili con l'idraulica standard di questa gamma di pompe. Le identiche dimensioni esterne delle pompe ermetiche DIN e ISO e delle centrifughe “tradizionali” consentono una rapida trasformazione da pompe convenzionali a pompe ermetiche. Inutile dire che ciò consente di ridurre il fabbisogno di scorte di ricambi di qualsiasi impianto moderno.
Vi sono, tuttavia, sostanziali vantaggi aggiuntivi. Questi vantaggi, così come l'impressionante efficienza e le statistiche MTBF delle pompe conformi API sigillate ermeticamente, sono discussi nella seguente sezione della barra laterale, scritta in collaborazione con George Dierssen, di IndustryUptime.
In qualità di consulenti per l'affidabilità delle apparecchiature, possiamo chiaramente vedere almeno cinque (e più probabilmente 10) vantaggi definibili delle motopompe in scatola rispetto alle tradizionali pompe API-610. Questi vantaggi appartengono a una o più categorie che alla fine si traducono in un servizio sicuro, affidabile, a bassa manutenzione, a basso costo di installazione e compatibile con l'ambiente. Per elencare alcuni vantaggi:
Contenimento secondario positivo, nessuna perdita incontrollata nell'atmosfera (anche con cuscinetti guasti)
Nessuna tenuta meccanica
Nessun allineamento (si applica alle attività di installazione e manutenzione)
Nessuna lubrificazione (senza olio)
Nessuna fondazione o stucco
Attualmente, ciascuna delle cinque raffinerie della San Francisco Bay Area dispone di una o più motopompe incapsulate in un funzionamento altamente soddisfacente. Pur rappresentando da quasi zero a forse il 2% della popolazione di pompe, ora riteniamo che le pompe a motore in scatola (CMP) siano probabilmente applicabili al 50% delle pompe in un tipico sito di raffineria. Ci sono, ovviamente, delle restrizioni (es. shock termico, funzionamento a secco, fanghi, ecc.), che, nella maggior parte dei casi, possono essere gestite da controlli ingegneristici. Tuttavia, sembra che i CMP siano la scelta ideale per molti servizi HP (elaborazione di idrocarburi). Ciò è tanto più vero in quanto gli impianti odierni hanno grandi aspettative in termini di operatività e sicurezza operativa. Sebbene queste aspettative si riflettano in uno standard solido—API-685- la scarsa rappresentanza di CMP negli stabilimenti statunitensi è sconcertante.
Escludendo qualsiasi matematica insolita, uno dei coautori (di questa sezione della barra laterale) è stato sorpreso di scoprire che il tempo medio medio tra le riparazioni (MTBR) per i CMP—tenendo conto di ciascuna delle molte migliaia realizzate da due principali produttori separati— è di 7,5 anni. Questo ci porta a chiederci come perfezionare i dati del settore in generale. La nostra comprensione è che l'80-90% degli stabilimenti giapponesi utilizza CMP (un produttore apparentemente spedisce 1700 pompe al mese!) e il 60-70% degli stabilimenti europei utilizza pompe a trascinamento magnetico o CMP. Quindi, abbiamo dato seguito alla domanda. La nostra valutazione e il contributo sostanziale di un rispettato produttore di CMP possono essere riassunti in una serie di punti importanti.
Un produttore europeo di successo ha esperienza con ingressi di potenza CMP di 700 CV e oltre. Questi sono offerti in molte configurazioni diverse, con o senza radiatori, con o senza anelli di lubrificazione dei cuscinetti separati, con uno o due (o più!) stadi, ecc. I vincoli di spazio ci permetteranno di mostrarne solo uno (Fig. 3) . Inoltre, le pressioni del fluido piuttosto elevate sono ora comunemente raggiunte dai CMP. Sebbene indipendente, un produttore tedesco utilizza la tecnologia della pompa svizzera per l'idraulica della girante. Scie d'aria separate (pulite) lubrificano i cuscinetti a manicotto tipicamente installati nei CMP di questa azienda.
Negli Stati Uniti, l'industria ha ancora difficoltà ad abbandonare la cattiva pratica di installare tubazioni inadeguate sulle macchine a fluido. Sebbene inizialmente si pensasse che un CMP potesse essere leggermente più vulnerabile di una pompa centrifuga API-610, non è più così per la stragrande maggioranza dei CMP. In ogni caso noto a un esperto, le pompe a motore in scatola (CMP) sono state progettate per carichi di ugelli consentiti significativamente più elevati rispetto alle pompe API-610 equivalenti. Il produttore europeo di CMP è in grado di offrire carichi di ugelli consentiti da tre a quattro volte i carichi massimi consentiti API-610 (ricorda che non ci sono problemi di allineamento con CMP). La bullonatura della flangia di solito è il fattore limitante qui.
Ricordiamo che decenni fa (e in taglie che si avvicinano ai 1000 CV), le pompe di processo verticali dotate di piastre flottanti sulla base della pompa sono diventate la norma nelle migliori strutture. Allo stesso modo, il produttore europeo raccomanda che le piastre di base CMP (in realtà, piastre) non siano ancorate, ma lasciate galleggiare con le tubazioni. Le suole galleggianti offrono un notevole risparmio sui costi delle tubazioni. In diversi recenti progetti ad alta pressione il risparmio sulle tubazioni è pari al costo delle pompe! Tuttavia, fino ad oggi, alcuni acquirenti insistono affinché vengano fornite le piastre di base.
Anni fa, alcune sedi dell'HPI (industria di trasformazione degli idrocarburi) avevano dovuto affrontare le preoccupazioni dei sindacati: all'epoca il problema era se un CMP fosse un dispositivo elettrico o una pompa. L'esperto CMP ha affermato che, sebbene questo possa essere un problema, la sua attuale raccomandazione è di restituire le unità CMP a una struttura di riparazione altamente esperta in Louisiana per eventuali riparazioni necessarie. Riteniamo che questo approccio abbia senso vista la disponibilità limitata di personale qualificato per la manutenzione sul campo e le officine meccaniche in molti stabilimenti.
Abbiamo anche osservato che troppo spesso gli ingegneri ascoltano solo i rivenditori di pompe tradizionali: “Non posso sbagliare se faccio esattamente quello che ha fatto il mio ex capo. Ha sempre giocato sul sicuro e ora è vicepresidente dell'ingegneria! Il responsabile nazionale delle vendite di un importante produttore di motopompe in scatola è d'accordo e ha detto che c'è ancora molta riluttanza a provare quella che viene percepita come "nuova tecnologia", sebbene, ovviamente, le CMP siano considerate una tecnologia matura.
Forse, e spesso a torto, si presume che le CMP consumino più energia delle pompe tradizionali. Un esperto europeo di CMP ha confutato questa credenza errata. Ha notato che, in oltre 30 anni di applicazione dei CMP, non aveva mai visto una di queste unità consumare più energia della pompa che ha sostituito! Mentre una volta aveva supposto che ciò fosse dovuto alla sostituzione delle pompe usurate o alla ricerca di migliori selezioni (adattamento della curva), ora crede che le unità originali fossero eccessivamente ottimiste sulla loro efficienza pubblicata e non includessero mai molte perdite, come quelle attribuibili a giunti e guarnizioni.
Uno specialista di pompe ha raccontato la sua esperienza con un produttore di pompe convenzionali che ha sempre testato le sue unità con tenute a labbro invece di baderne intrecciate o tenute meccaniche. Alcuni anni fa, questo esperto venne a conoscenza di un'azienda che fece sapere che avrebbe valutato i preventivi (offerte ricevute) in base ai kW di input. Di conseguenza, la potenza "garantita" è aumentata di quasi il 10% rispetto alle curve pubblicate da alcuni offerenti. L'esperto consiglia alle autorità preposte degli utenti di richiedere un valore in kW di input per le apparecchiature offerte. Ha notato che i principali produttori di CPM sarebbero lieti di conformarsi poiché, ovviamente, forniscono sia la pompa che il motore.
L'utente/acquirente medio è deluso dal fatto di non poter inviare rifiuti attraverso cuscinetti e componenti con gioco ridotto. Naturalmente, il fornitore deve realmente istruire l'utente sui limiti dell'apparecchiatura e chiedere ripetutamente informazioni sul flusso di processo e sulle proprietà del fluido. Molti guasti che in passato erano attribuiti a "solidi" o "funzionamento a secco" erano in realtà iniziati da un flashing interno del fluido. Ciò potrebbe essere dovuto alla mancanza di un buon programma di bilancio termico sull'apparecchiatura o semplicemente alla semplice ignoranza del fornitore. Ancora più importante, spesso l'analisi dei guasti o il follow-up da parte del produttore non sono stati sufficienti per determinare la vera causa principale di un guasto. Un fattore interessante è il massimo aumento di calore; si verifica su un CMP dopo l'arresto a causa del calore latente nel motore. Questa preoccupazione può sempre essere affrontata con un corretto dimensionamento del motore, spurgo del motore dopo l'arresto o altri metodi, a condizione che l'acquirente e un produttore esperto collaborino. Ciò che è una preoccupazione per alcuni è un non problema per altri.
Considera che è responsabilità del produttore porre molte domande e che sia l'utente che il produttore forniscano risposte solide. Perseguire le domande sull'aumento di temperatura massimo (a breve termine) consentito del fluido pompato. Le risposte a tali domande sono facili da ottenere. Se un utente intelligente sa cosa sta pompando e descrive accuratamente i suoi fluidi di processo, il fatto che stia per acquistare un CMP è di secondaria importanza.
Decenni fa, la superiorità dei CMP è stata descritta nella presentazione congiunta Hoechst-Celanese di Kenneth Fischer a uno dei simposi internazionali della Texas A&M University. Gli atti di questi incontri sono prontamente disponibili e le edizioni precedenti hanno affrontato molte preoccupazioni degli utenti e fornito alcune statistiche sui fallimenti, ecc.
Troppo spesso l'acquirente lascia le decisioni all'appaltatore del progetto e quindi incoraggia queste aziende ad acquistare in gran parte sulla base dei costi e dei tempi. L'appaltatore acquista quindi una pompa convenzionale dall'offerente più basso. Un utente focalizzato sull'affidabilità deve intervenire e assumersi una certa responsabilità per la guida e la direzione necessarie agli appaltatori di progettazione e al personale puramente orientato agli acquisti. Studi solidi sui costi del ciclo di vita sono migliori di opinioni preconcette o obsolete.
Inoltre, e purtroppo, i CMP potrebbero essersi fatti una cattiva reputazione quando alcuni venditori hanno sopravvalutato i loro meriti in passato. Sebbene i meriti delle motopompe in scatola siano indiscutibili, non c'è nulla che non possa essere etichettato erroneamente, frainteso, diffamato o distrutto. Non ci sono eccezioni a questa regola.